CN105776491A - 弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法 - Google Patents

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Abstract

一种弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法，其特征在于，设计出一种加磁反应器，通过所述加磁反应器提供的弱磁场来强化零价铁去除水中的污染物，同时通过重力作用以及扫刷作用来防止铁粉因为磁场而产生的团聚问题。利用弱磁场强化零价铁除污染物，并且通过重力作用以及搅拌桨的扫刷作用来防止铁粉因磁场产生的团聚问题。本发明方法简洁明了、易于工程普及，且节能环保、运行费用低。加磁反应器主要由带斜板的器壁和带毛刷的搅拌桨组成。通过内部斜板上布置磁片提供弱磁场来强化零价铁去除水中的污染物，通过搅拌桨的扫刷作用来防止铁粉因为磁场而产生的团聚问题。本发明所投加的零价铁为微米级铁粉或铁屑。

Description

弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法。
背景技术
零价铁是一种廉价且环境友好的污染物去除剂。零价铁在水中发生腐蚀反应生成溶解性的Fe2+或者不溶性的铁氧化物和铁氢氧化物。零价铁和生成的Fe2+都具有还原性，可以还原去除水中的污染物。生成的铁氧化物和铁氢氧化物等腐蚀产物对污染物的去除具有吸附和混凝的作用。近年来零价铁已经被广泛应用于降解和去除环境中的有机和无机污染物，包括各种氯代有机物、重金属离子、偶氮染料、硝酸盐等，零价铁处理污染物的方法也已经被应用到地下水污染修复和工业废水处理中。
但是零价铁除污染物仍然存在技术上的缺陷。工业生产的零价铁在其制备过程中表面就带有一层钝化膜，而零价铁与污染物之间的反应或消耗H+或产生OH-，导致反应的溶液pH迅速升高，生成的铁氧化物或铁氢氧化物会覆盖于零价铁表面继续生成钝化膜。钝化膜的固有存在和逐渐生成，都大大降低了零价铁的反应活性，阻碍了零价铁与污染物的反应。
目前常用的提高零价铁反应活性的方法有纳米零价铁以及双金属体系等，但都具有成本高和毒性大的缺点，难以大规模运用。本课题组通过研究发现，在零价铁除污染物的反应体系外加弱磁场，可以有效缓解零价铁钝化的问题，不仅可以提高零价铁与污染物反应的速率，还能使已经老化的零价铁重新恢复活性。磁场的主要作用是加速了零价铁的非均匀腐蚀以及Fe2+从零价铁表面的释放，对已钝化的零价铁也有着很好的去钝化效果。中国发明专利(CN102807272A)介绍了一种“磁场强化零价铁去除水中Se(IV)/Se(VI)的方法”，利用磁力搅拌或外加磁场实现微米级零价铁/铁屑和Se(IV)/Se(VI)的快速反应从而使水得到净化。专利CN102807272A主要提出了弱磁场强化零价铁除污染的理念，但是该专利并没有提出实际可用的能提供弱磁场的反应器。
将弱磁场强化零价铁去除污染物的技术应用到实际工业废水处理中，主要问题在于如何构建合理有效、环保的加磁反应器。磁场具有随距离增加衰减非常快的特点，而且在实际应用中反应器体积大，如果在反应器外部(外壁或底部)布置永磁铁，成本较低，但是会产生磁场分布不均匀的问题，靠近反应器壁和底部的区域磁场强度过高，而远离反应器壁和底部的区域磁场强度低甚至无磁场，无法有效地对零价铁产生强化作用。另外由于磁场分布不均匀的现象，高磁强区会造成零价铁的团聚问题，降低零价铁的利用率。如果在反应器周围施加电磁场可以产生均匀的符合磁场强度要求的磁场，但是大的电磁铁投资费用高，能耗高，运行和维护费用高，同时电磁铁容易发热，无法适应工业上连续处理废水的要求。
发明内容
为克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法。本发明利用弱磁场强化零价铁除污染物，并且通过重力作用以及搅拌桨的扫刷作用来防止铁粉因磁场产生的团聚问题。本发明方法简洁明了、易于工程普及，且节能环保、运行费用低。
为此，本发明给出的技术方案概括为：
一种弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法，其特征在于，设计出一种加磁反应器，通过所述加磁反应器提供的弱磁场来强化零价铁去除水中的污染物，同时通过重力作用以及扫刷作用来防止铁粉因为磁场而产生的团聚问题。
进一步限定上述技术方案，本发明所涉及的加磁反应器，结构表征为：
主要由带斜板7的器壁和带毛刷的搅拌桨5组成，
反应器内沿对角线或直径方向分布着斜板7，斜板7上布置有磁片8，斜板7上表面磁场强度为2-20mT，斜板7下表面最大磁场强度为0.5-1mT，
所述搅拌桨5与斜板7倾角一致，搅拌桨5的与斜板接触面带有毛刷6。
反应器还包括进水端的进水管1、零价铁投加管2和管式混合器3，进水与零价铁混合后分别流入反应器上中下三个区域。进水端位于反应器的顶部高位。
反应器还包括能带动搅拌桨5旋转的驱动轴及电机4。
反应器还包括出水端出水管9，用于输出净化后水，所述出水管9位于反应器的底部位置。
上述反应器，通过内部斜板上布置磁片提供弱磁场来强化零价铁去除水中的污染物，通过搅拌桨的扫刷作用来防止铁粉因为磁场而产生的团聚问题。
本发明所投加的零价铁为微米级铁粉或铁屑。
进一步限定技术方案，所述反应器内沿对角线或直径方向分布有斜板，每个截面布置有4个斜板。
进一步限定技术方案，反应器截面为正方形或圆形。
进一步限定技术方案，和斜板相接触的搅拌桨与斜板有相同的倾角，倾角为20-80°，搅拌桨与斜板接触的一面带有毛刷，最底层的搅拌桨为水平方向的搅拌桨，搅拌桨采用桨式搅拌桨形式。
进一步限定技术方案，斜板上布置有磁片8，磁片8的布置方式为嵌入斜板7内部。
进一步限定技术方案，斜板上的磁片8距离斜板7上表面的距离为1-2cm，斜板上表面磁场强度为2-20mT；距离斜板下表面的距离为5-10cm，斜板下表面最大磁场强度小于1mT。
进一步限定技术方案，搅拌桨的转速为200-400转/分。
本发明优点和有益效果如下：
1、本发明与现有的零价铁除污染物工艺相比，反应器内部斜板提供的弱磁场显著提高了零价铁除污染物的反应速率，大大缩短了反应时间，从而可以减小反应器的体积或者提升处理水量。
2、本发明所提供的弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法，相较于其他在反应器周围施加磁场的方式(如施加电磁场、在反应器器壁上加永磁等)更加均匀、有效且节能。
3、本发明所提供的在反应器内部斜板上布置磁片的方法，通过磁片与斜板上下表面距离的控制，使得上表面能够提供有效的磁场强度，同时下表面不会吸附铁粉，并且通过重力作用和搅拌桨的扫刷作用，可以有效消除铁粉的团聚问题。
4、本发明所提供的反应器形式为连续流设计，适合连续的工业废水处理，对于处理量大、各种重金属废水都有很好的适用性。
5、本发明与现行的其他强化零价铁除污染物的方法(纳米零价铁、铁基双金属等)相比，无任何毒副作用，能耗低，是一种绿色环保的方法。
附图说明
图1为该弱磁场强化零价铁除污反应器的主视图。
图2为该反应器的俯视图。
图3为该反应器斜板上磁片的分布示意图。
图4为实施例3-实施例4工艺流程示意图。
图5-8为实施例1中处理稀贵车间废水的效果图，依次为总铜、总砷、总镉和总硒的处理效果。
图9为实施例2中处理水淬车间废水中总砷的效果图。
图10为实施例3和实施例4中处理废水的效果图。
图中标号：1.进水管，2.零价铁投加管，3.管式混合器，4.电动机，5.特制搅拌桨，6.毛刷，7.斜板，8.磁片，9.出水管，10.普通搅拌桨，11.出水挡板，12.连接水管，13.电磁铁，14.零价铁回流泵，15.零价铁回流管，16.三角堰，17.沉淀池斜板，18.出水管，19.排泥管。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
废水取自某铜业有限公司稀贵车间的废水，水质为：pH1.25，总铜含量65.74mg/L，总砷含量47.07mg/L，总镉含量13.40mg/L，总硒含量2.07mg/L。由于稀贵车间原水处于强酸性，故先对稀贵车间原水水样进行预处理，沉淀部分总铜，预处理方法为：在均匀搅拌下加入生石灰调节废水pH至5.0左右，停止搅拌，静置后过滤沉淀。预处理后水样水质为：pH5.0，总铜含量4.38mg/L，总砷含量9.31mg/L，总镉含量1.26mg/L，总硒含量1.16mg/L。在两个相同体积的反应器中加入预处理后的废水，投加微米铁粉，所投加的微米铁粉为购自国药集团化学试剂有限公司的还原铁粉，投量为0.5g/L。其中一个反应器作为对比，在反应器底部布置永磁铁，中心最大磁场强度为200mT，采用普通的搅拌桨进行搅拌，转速为400转/分，记为Reactor1；另一个反应器形式采用图1所示的形式，即所述的带加磁斜板的反应器，并采用相应的带毛刷的搅拌桨进行搅拌，转速为400转/分，记为Reactor2。分别在不同时间点对两个反应器出水口的水样取样后并进行消解，利用电感耦合等离子反射光谱仪测定样品中的重金属离子浓度。
所得到的数据如图5-8所示。对于Reactor1，在180min总铜浓度下降到0.01mg/L以下，去除率达99.8％，总砷浓度下降到0.06mg/L，去除率达99.4％，总镉浓度下降到0.4mg/L，去除率达68.3％，总硒浓度下降到0.21mg/L，去除率达81.9％；对于Reactor2，在30min总铜已去除完全，去除率达99.9％以上，120min总砷和总硒都已去除完全，去除率达99.9％以上，180min总镉浓度下降到0.1mg/L，去除率达92.1％。
通过观察发现，对于底部布置永磁铁的Reactor1，由于底部中心磁场强度过大，造成铁粉在底部团聚，实际反应器内部的铁粉数量减少，铁粉利用率低。若更换Reactor1底部的永磁铁，使底部中心磁场强度降低为20mT，虽然解决了铁粉团聚问题，但磁场分布不均匀，反应器中上部分磁场强度基本为0，强化零价铁去除污染物的作用非常有限。
对于本发明涉及的Reactor2，反应器内部磁场分布均匀，没有出现铁粉团聚的问题。由此可见采用本发明的加磁方法，不仅能够使零价铁去除稀贵车间废水中重金属离子的反应速率增加，提高零价铁对相应重金属离子的去除率，还能有效解决原有的加磁反应器会出现的磁场分布不均匀、铁粉易团聚等问题。
实施例2：
废水取自某铜业有限公司水淬车间的废水，水质为：pH8.20，总铜含量1.46mg/L，总砷含量58.78mg/L，总镉含量0.02mg/L，总硒含量0.46mg/L。在两个相同体积的反应器中直接加入该种废水，投加微米铁粉，所投加的微米铁粉为购自国药集团化学试剂有限公司的还原铁粉，投量为0.5g/L。两种反应器同实施例1。分别在不同时间点对两个反应器出水口的水样取样后并进行消解，利用电感耦合等离子反射光谱仪测定样品中的重金属离子浓度。
所得到的数据如图9所示。对于Reactor1，在180min总砷浓度下降到35.27mg/L，去除率达40％；对于Reactor2，120min总砷已去除完全，去除率达99.9％以上。
通过观察发现，对于底部布置永磁铁的Reactor1，由于底部中心磁场强度过大，造成铁粉在底部团聚，实际反应器内部的铁粉数量减少，铁粉利用率低。若更换Reactor1底部的永磁铁，使底部中心磁场强度降低为20mT，虽然解决了铁粉团聚问题，但磁场分布不均匀，反应器中上部分磁场强度基本为0，强化零价铁去除污染物的作用非常有限。
对于本发明涉及的Reactor2，反应器内部磁场分布均匀，没有出现铁粉团聚的问题。由此可见采用本发明的加磁方法，不仅能够使零价铁去除水淬车间废水中总砷的反应速率增加，提高零价铁对总砷的去除率，还能有效解决原有的加磁反应器会出现的磁场分布不均匀、铁粉易团聚等问题。
实施例3：
如图4所示，所述装置为二级反应装置，采用实施例1中预处理后的稀贵车间废水，通入两段式完全混合式反应器中，进水流量为10-12L/h，间歇性投加微米级铁粉，投加量为0.5g/L。其中第一段加磁反应器形式采用图1所示的反应器形式，通过快速搅拌与废水混合，搅拌速度为300-500转/分，同时反应器内部斜板上所带的磁场将零价铁磁化，废水停留时间为3-10分钟；反应后的混合废水进入第二段分离反应器中继续反应，其底部设有电磁铁，吸收铁粉回流至第一段反应器，并通过慢速搅拌使铁粉与污泥分离，搅拌速度为100-300转/分，废水停留时间为0.5-3小时；反应后的混合废水进入沉淀池，污泥沉淀后经排泥管排泥，处理后的清水通过沉淀池上方的三角堰出水；当工艺处于零价铁回流工况时，关闭电磁铁并且打开零价铁回流泵，完成零价铁的回流，控制回流比为0.5-2倍于进水流量。
反应器稳定运行后，从沉淀池出水口处间隔12h取样，消解后利用电感耦合等离子反射光谱仪测定样品中的重金属离子浓度，得到的数据如图10所示。由此可见带有该种加磁反应器的处理工艺对于该种稀贵车间废水具有良好且稳定的处理效果，处理后的废水总铜、总砷、总镉、总硒含量均符合国家排放标准。
实施例4：
反应装置同实施例3，采用实施例2中的水淬车间废水，进水流量为10-12L/h，间歇性投加微米级铁粉，投加量为0.5g/L。反应器稳定运行后，从沉淀池出水口处间隔12h取样，消解后利用电感耦合等离子反射光谱仪测定样品中的重金属离子浓度，得到的数据如图10所示。由此可见带有该种加磁反应器的处理工艺对于该种稀贵车间废水具有良好且稳定的处理效果，处理后的废水总砷含量符合国家排放标准。

Claims (8)

1.一种弱磁场强化零价铁除污反应器的加磁方法，其特征在于，设计出一种加磁反应器，通过所述加磁反应器提供的弱磁场来强化零价铁去除水中的污染物，同时通过重力作用以及扫刷作用来防止铁粉因为磁场而产生的团聚问题。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所涉及的加磁反应器，结构表征为：
主要由带斜板(7)的器壁和带毛刷的搅拌桨(5)组成；
反应器内沿对角线或直径方向分布着斜板(7)，斜板(7)上布置有磁片(8)，斜板(7)上表面磁场强度为2-20mT，斜板(7)下表面最大磁场强度为0.5-1mT；
所述搅拌桨(5)与斜板(7)倾角一致，搅拌桨(5)的与斜板接触面带有毛刷(6)；
反应器还包括进水端的进水管(1)、零价铁投加管(2)和管式混合器(3)，进水与零价铁混合后分别流入反应器上中下三个区域，进水端位于反应器的顶部高位；
反应器还包括能带动搅拌桨(5)旋转的驱动轴及电机(4)；
反应器还包括出水端出水管(9)，用于输出净化后水，所述出水管(9)位于反应器的底部位置。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，反应器截面为正方形或圆形。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述反应器内沿对角线或直径方向分布有斜板，每个截面布置有(4)个斜板。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，和斜板相接触的搅拌桨与斜板有相同的倾角，倾角为20-80°，搅拌桨与斜板接触的一面带有毛刷，最底层的搅拌桨为水平方向的搅拌桨，搅拌桨采用桨式搅拌桨形式。
6.如权利要求2或者4所述的方法，其特征在于，斜板上布置有磁片(8)，磁片(8)的布置方式为嵌入斜板(7)内部。
7.如权利要求2或者4所述的方法，其特征在于，斜板上的磁片(8)距离斜板(7)上表面的距离为1-2cm，斜板上表面磁场强度为2-20mT；距离斜板下表面的距离为5-10cm，斜板下表面最大磁场强度小于1mT。
8.如权利要求2或者5所述的方法，其特征在于，搅拌桨的转速为200-400转/分。
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